11-2 석탄 가스화 액화의 분류

가. 석탄 가스화 : *IGCC(석탄가스화 복합발전)

*IGFC(석탄가스화 연료전지 복합발전) 나. 석탄 액화 : *석탄 직접액화 : -저온건류법

-촉매수소화분해법 -비촉매 용매추출법

*석탄 간접액화 : -고온 F-T 공정(Sasol) -저온 F-T 공정(Sasol) -SMDS 공정(shell)

11-2 석탄 가스화 액화의 분류

다. 기타 : *메탄올 제조

*DME

*메탄제조

가. 석탄 가스화 : 석탄, 중질 잔사유 등의 저급연료를 고온, 고압하에서 불안전 연소시켜 CO, H ² 가

주성분인 가스를 제조하는 것

나. 이용: *IGCC(석탄가스화 복합발전)

*IGFC(석탄가스화 연료전지 복합발전)

*석탄 간접액화

11-3 석탄 가스화

다. 석탄의 가스화 과정 :

미분쇄한 석탄(탄소, 휘발분, 회)에 공기(또는 산소)와 함께 고온(약 1500℃), 고압(약 25기압)의 가스화기에서 휘발분(메탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기, 타르)와 촤로 분리,

타르는 코크스, 메탄, 수소 등으로 분해, 촤는 별도 반응,

*촤(char) : 휘발성분 방출 후의 탄소와 회로 구성된 고체

*촤(char) : 휘발성분 방출 후의 탄소와 회로 구성된 고체

19MJ/Nm

8.4~19MJ/Nm

3.5~ 6.5MJ/Nm

H

2

⁴

촤

*촤의 가스화 반응 :

*촤의 가스화 반응속도는 연소속도나 가스성분들 간의 반응 속도에 비교해 늦음, 다음에 영향을 받음

-석탄의 종류 -생성 촤의 형태 -촤주위 가스농도 -촤내부 무기물질

*최근 중질유, 잔사유를 이용화 가스화 기술 개발중

*가스화 기술 분류 :

*잔사유 : 아스팔트

-가스화기의 종류

-가스화기의 분류 :

-석탄과 산화제(공기/산소) 접촉방식 : 고정층(Lurgi),

유동층(HTW),

분류층(GE Energy, Shell, E-Gas)(IGCC상업화)

-산화제의 종류 : 산소주입방식, 공기주입방식

-석탄 공급 방식 : 건식(미분탄을 이송용 질소와 공급), 습식(미분탄과 물이 6 대 4인 슬러리)

-가스화기 회분 회수 :

-석탄과 산화제(공기/산소) 접촉방식 :

(실증용)

*lignite : 갈탄,아탄, hard : 무연탄(Anthracite coal)

- 가스화기 : 석탄을 고온, 고압화에서 불완전연소(가스화)시켜 CO와 를 주성분으로 하는 합성가스를 생산하는 반응기

-석탄전처리/이송설비 : 가스화기에 투입하기 전 처리 및 이송설비

-석탄가스 냉각기 : 가스화기에서 생산된 합성가스의 온도를 후단공정에 적합하게 떨어뜨리고 증기을 생산하는 설비

- 슬래그 배출설비 : 가스화기에서 용융된 슬래그를 배출하는 설비

11-4 석탄가스화 기술(산업)의 세분류

11-5 석탄 가스화 기술 비교

10-5 석탄 가스화 기술 비교

■ GE Energy IGCC 플랜트의 대표적인 추진 현황

-1945년 경 개발, 초기 잔사유 가스화에 Texaco Synthesis Gas Generation Process 적용

-1950년경 Texaco Coal Gasification Process 개발시작 -1985년 미국 캘리포니아 Barstow IGCC로 개조한 쿨워터

발전소가 IGCC입증 설비로 건설됨

-운전조건: 석탄슬러리 농도, 요구 탄소전환율에 의존 1200~1500도 정도, 25-80기압 압력

-습식으로 발생가스중 수분이 높아 가스화기 냉가스효율이 낮고, 산소요구량이 많음

■ ConocdPhillips(E-Gas) IGCC 플랜트 추진 현황

-Texaco의 라이센스 입수한 Daw사가 개발

-1973~1983년 공기공급, 산소공급 방식의 1단 파일럿 가스화기 플랜트 설치

-1979~1985년 독자개발 구조의 공기공급, 산소공급 방식의 1단, 2단 가스화기 시험운전

-1987년 미국 루지애나주 Plaquemine 최초 실증 플랜트인 LGTI 실증 실험(갈탄, 아역청탄)

-가압 2단 상향류식, 슬러리 연료 공급

-1단은 석탄 소요량의 80%의 산화제 공급, 1300도~1400도 -2단은 무산화제 석탄슬러리(전체 20%)만 공급, 탄소와 증기 의 반응이 흡열반응에 의해 CO생성

-전체 탄소전환율이 99%

-1단 가스화기 비교 산소 소모량 감소 -배출가스 온도가 낮음

-합성가스중 H2함량을 높일 수 있음

-Texaco보다 높은 70~80% 냉가스효율

-Texaco과 유사하게 경유/천연가스로 예열 필요

■ shell 플랜트의 대표적인 추진 현황

-1972년 Koppers-Totzek사와 공동으로 분류층 가스화 공정 개발 시작, 오일 가스화 운전 경험 기반

-1976년 암스테르담 연구소 5ton/day 파일럿 플랜트 12000h 가동 -1978~1983년 독일 함브르크 150ton/day의 시험설비 6000h 가동 -1987년 미국 텍사스주 Huston에 역청탄 연료 250ton/day

(아쳑청탄 400ton/day)급 SCGP-1 가스화 플랜트 설치,

5년동안 18개 탄종의 가스화 특성, 오염물질 배출특성, 플랜트 신뢰도 에 대한 실험

1994년 네덜란드 Buggenum에 2400ton/day(258MWe)급 IGCC플랜트 설치 실증운전중

-1단 산소 공급 건식 가스화기 1300도~1500도 25~35 기압 운전 , 원통형 수냉벽 구조

-fire tube 형 열교환기와 드럼 구성의 고온가스 냉각기에서 재순환 가스와 혼합된 약 900도의 고온가스를 300~400도로 냉각함과 동시에 106기압, 315도의 포화 증기 생산

-건식 미분탄 사용으로 적용 탄종의 범위가 넓고, 가스화 반응시 잉여 수분이 적고, 산소소모량이 적기때문에 CO함량이 높고, CO2함량이 낮은 양질의 가스가 발생됨

-탄소전환율 약 90% 이상, 냉가스효율 78-84%

■ Prenflo 플랜트의 대표적인 추진 현황

-Krupp-Koppers사에서 개발됨(Shell사와 공동 개발된 Krupp- Totzek공정 기반의 Shell 공정과 유사한 가압상향류식)

-1973년 고압 분류층 가스화기 연구개발 시작

-1978년 shell사와 공동으로 고압 분류층 가스화기인 Shell-Koppers공정의 플랜트 건설 운전

-1981년 Krupp-Koppers사 독자 고압 분류층 가스화기를 Prenflo공정으로 개발 시작

-1986년 독일 Furstenhausen 에 48ton/day급 Prenflo 가스화기 실증설비 건설 10,000h 운전

-Shell와 유사한 수냉벽 구조

-고온가스 냉각장치는 고압 대류형 보일러와 중압 대류형 보일러 로 구성됨

-Prenflo 가스화 공정의 출력제한치 40~50%수준, 50%이하시 CO2 농도 증가

: 분진, 황, 질소화합물, 할로겐화합물(HCl), 수은, 이산화탄소 등 -CO

도 10~50ppm까지 제거

-Linde와 Lurgi사가 기술확보

11-6 합성가스 정제 기술

11-7 석탄가스화 복합발전(IGCC ,

Integrated Gasification Combined Cycle )

가. IGCC : 석탄가스화에서 제조, 정제한 후 가스터빈 및 증기터빈을 구동하는 발전 기술

나. 특징 :

높은 건설비

구분 미분탄 화력발전 가스화 복합발전

발전효율 37~40% 40~50%

환경오염물질 SOx : ~150ppm Nox : ~200ppm

SOx : 5~20ppm Nox : 15~30ppm 국내 기술수준

(선진국대비) 상용급 자립단계 파일럿 급 검증단계

다. 미분탄 화력발전과 IGCC 비교

라. IGCC의 특징

1. 증기 터빈에 가스 터빈을 조합시킨 복합발전이므로,

2. 종래 석탄화력발전 효율 약40%와 비교 약50% 의 발전효율이 예상

3. 석유화력발전과 거의 동등한 CO₂의 배출량으로 석탄화력발전이 가능 4. 회분융점이 낮은 석탄이 적합성 때문에 이용할 수 있는 탄종이 확대됨 ( 기존의 석탄화력발전소에서는 보일러 내에 재가 부착하는 등 문제가 일어나가 쉬우므로 이용이 어렵다 )

5. 석탄재가 슬러그 상태로 되어서 배출 -용적이 감소되고

-도로의 자반 재료 등으로서 이용할 수 있음 6. 열효율이 좋으므로 온수 배수량이 적어지고,

7. 또 종래의 석탄화력의 매연탈황 장치는 배기가스 단계에서 냉각해서 행하는 것과 비교하여, IGCC에서는 연료가스 단계에서 행하므로

용수량은 대폭 줄어듬

65%출력

35%출력

중유 잔사유 오리멀젼 바이오매스

바. IGCC 공정 세부 기술

1. 가스화 기술 2. 정제기술

3. 발 전

4. 시스템 운전

-탈황 : 석탄가스화중 H2S, COS, CS2형태로 제거

흡수법(absorption) : 액상용매(solvent)에 산성가스를 흡수

흡착법(adsorption) : 고체흡수제(sorbent) 표면에 산성가스를 흡수 저온탈황 :

–흡수법 :

화학용매공정(아민계통 용매, 우수한 선택성 높은 신뢰도) , 물리용매공정, 혼합용매공정, 액상산화공정

고온탈황 :

-흡착법 :

따른 tar의 응축이 방지됨, 열손실이 낮음, 수증기 및 고열량의 탄산가스가 손실되지 않고 가스터빈 구동에 이용되어

열효율이 높음

(알콜흡수법)

(아민흡수법)

-집진 : 가스터빈블레이드 마모, 침식, 진동 등을 방지하고 환경 규제를 만족시키기 위한 기술,

손상석탄가스중 5μm이상 분진을 제거하여 10ppm이하로 농도 유지를 위해 고온(450~500도)과 고압(20~30기압) 에서 운전되는 세라믹필터로 집진(1mg/m3N)

-가스터빈기술 : 화염안정성 향상(천연가스보다 500도 낮은 1700도의 화염온도)

연료 Nox저감 기술(연료중의 NH3연소로 발생) 벽면냉각기술

-시스템 설계 기술 : 성능과 경제서을 고려하여 최적의 플랜트 시스템을 구성하는 기술

-시스템 열 성능 해석 -시스템 최적화

-경제성 분석

-시스템 열 성능 해석 : 가스화기, 기스터빈 등 단위기기의

운전성능, 출력, 연료 입열을 계산하여 전체 시스템의 열 및

물질 수지를 계산

-시스템 최적화 :공정 간의 중요한 연계인 배열 회수 보일러와

가스화 공정간 물/증기의 연계, 가스터빈과 산소분리공정 사이

의 공기연계 등 각종 옵션들의 대안들에 대한 열성능 해석과

경제성을 평가하여 최적의 시스템을 선정

-경제성 분석 : 구성 기기들에 대한 설비비 등의 시스템 투자비와

연료비와 운전유지비 등을 고려하여 발전원가, 편익비용 분석법

등 경제성을 분석

11-8 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC,

Integrated coal Gasification Fuelcell Combined Cycle)

*IGCC에 연료전지 추가 :제어 및 최적화 운전 복잡

11-10 석탄 액화(CTL, Coal To Liquid)

가. 석탄 액화 분류:

-석탄 간접 액화 : 석탄 가스화를 통해 얻은 합성가스를 Co계 또는 Fe계 촉매 하에서 F-T반응 등에 의해 액체

탄화수소(합성 석유, 인조 석유)로 제조

-석탄 직접 액화 : H/C 원자 비율이 0.6~1인 석탄을

열분해 하여 생성된 자유기(free radical)에 수소첨가

반응(열분해) 또는 탄소제거반응(수소화 액화)에 의해

H/C 비를 1.2~2로 높여 액화시킴

가. 석탄 간접 액화

*간접 액화 방법 : F-T(Fischer-Tropsch) 공정

MTG(Methanol To Gasoline)공정(mobile사)

*일산화 탄소의 수소 첨가 반응은 촉일의 Franz Fischer, Hans Tropsch, Helmut Pichler 들이 개발

*1970년 남아공 Sasol공정으로 상용화 가스화/F-T/합성디젤유 생산

(1)석탄, 잔사유, 바이오매스, 폐기물을 1300도의 산소 부족 환경 가스화 반응

(2) (1)에서 생산된 합성가스를 수증기개질, 탈황정제 공정에서 디젤유 생산에 적합한 합성가스로 전환됨

S, N  H2S, NH3

*합성가스 생산 후 CO, H

₂

*간접액화 공정 분류 :

-고온 F-T 공정(Sasol) : 세계 유일의 석탄 액화공정

29기압의 회분식 가스화기(Lurgi)에서 석탄가스화 후 정제된 후, 고온340도 F-T공정에서 휘발유, 디젤, LPG, 제트유, 알코올, 케톤, 아세톤, 알파-올레핀, 프로필렌, 에틸렌 등 생산,

가솔린과 디젤을 6대4비율로 생산가능

-저온 F-T 공정(Sasol) :고정층 가스화기와 새 슬러리 반응기가 병용됨, 철 촉매를 사용, 200~250반응온도, 20~30 기압이고 파라핀과 왁스가 주로 생산됨

천연가스에서 제조된 합성가스 전용 코발트 촉매 적용 슬러리 반응기와 수소화 처리공정이 조합된 Sasol Slurry Phase Distillate 공정도 개발 -SMDS 공정(shell) :Shell Middle Distillate Synthesis은 천연가스에서

고품질의 경유를 생산하는 공정, Shell 고유촉매로 확스 상태로 전환 후 후속 trickel-bed에서 수소화 분해되어 디젤유(Middle Distillate )로 전환됨

- 석탄가스화 기술 : 석탄을 고온, 고압하에서 가스화시켜 CO와 H₂를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하는 기술

- 저온습식 및 고온건식 탈황 기술 : 합성가스 내에 함유되어 있는 산성 가스(COS, )를 제거하는 기술로, 액체용매를 사용하는 저온습식과 고체흡수제를 이용하는 고온건식으로 구분

- 고온고압 집진 기술 : 가스터빈 블레이드의 마모등을 방지하고 환경규제치를 만족시키기 위해 합성가스 내의 비산재를 고온고압에서 세라믹 캔들 필터를 사용하여 포집하는 기술

- 합성가스 액화 기술 : 가스화공정과 정제공정 등을 거친 합성가스 (CO 와 H₂) 를 코발트 eh는 철 촉매 하에서

F-T반응시켜 합성석유를 만드는 기술

*석탄의 간접액화 기술의 세분류

(

)

중국

F-T반응 :

-개질 반응 형식, F-T합성 반응 형식, 수첨분해에 차이로 많은 공정이 존재